近日，理学院吴璠教授以我校为第一单位且唯一通讯单位，在光学领域知名期刊《ACS Photonics》（JCR Q1期刊、新锐物理大类一区Top期刊）上发表一篇关于准二维钙钛矿异质结的研究论文。研究发现，激子限域可调控准二维钙钛矿半导体异质结的表面光电压极性，并实现波长可切换响应，有望应用于人工视觉突触器件。论文第一作者为我校理学院能源动力专业硕士研究生李龙。

　　金属卤化物钙钛矿因其优异的光学和电学性能，已成为新一代光电转换器件的重要材料。其中，准二维Ruddlesden-Popper钙钛矿具有天然的多量子阱结构，表现出远超三维钙钛矿的环境稳定性和高达数百毫电子伏特的激子结合能，但其强激子特性如何主导表面与界面光电压的形成，长期以来尚不清楚。针对这一问题，研究团队系统对比了强激子型的准二维钙钛矿（PEA）2MA2Pb3I10半导体薄膜与近自由载流子型的三维钙钛矿MAPbI3在裸膜和TiO2耦合两种构型下的表面光电压响应。研究发现，纯准二维钙钛矿的表面光电压强度比三维钙钛矿高出近一个数量级，而在与TiO2构成异质结后，准二维体系呈现出一种反常现象。随着激发波长由短波向长波移动，其表面光电压极性发生由负到正的反转，而这一现象在三维体系中完全缺失。

　　研究进一步探明了该特殊现象的内在物理机制。准二维钙钛矿内部存在强激子限域效应，会大幅抑制激子在材料体内的解离过程，电荷分离过程主要依托两个空间相互独立的界面通道完成。其中，表面通道由极性有机间隔层阳离子强化的内建电场驱动，对光电压产生负向贡献，埋底二氧化钛界面通道则由长波深穿透光子激活，对光电压产生正向贡献。层状晶格结构会强烈限制激子的面外输运行为，让材料能够留存光生载流子的深度分布信息。随着激发波长变化，两个反向电荷分离通道的竞争关系发生动态改变，最终引发光电压极性的反转现象。

　　另外，该论文成功构建出双结竞争物理模型。该模型可以精准复现光电压极性反转的动态过程，同时证实这一现象是激子限域效应主导下，准二维钙钛矿与二氧化钛异质结体系普遍存在的固有物理规律。依托这一物理机制，团队搭建了概念性人工视觉突触器件。器件在400纳米蓝紫光照射下可产生负光电压，在650纳米红光照射下可产生正光电压，两种光电信号可分别对应编码取消、执行两类指令。同时，该器件可耐受长时间光脉冲循环测试，工作状态保持稳定，为研发波长可编程的低维光电器件提供了全新的设计思路与理论支撑。

　　论文链接：https://pubs.acs.org/apchd5/article-abstract/doi/10.1021/acsphotonics.6c01709/5436851

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